水泥粉磨專(zhuān)用耐磨陶瓷研磨體節(jié)電效果分析

王 永，賈 超，周慶偉，羅 雨，朱文沛，尹方勇

1陜西聲威建材集團(tuán)有限公司 陜西咸陽(yáng) 713700

2山東天匯研磨耐磨技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司 山東聊城 252218

在 能耗雙控政策下的水泥企業(yè)如何降低水泥能 耗是當(dāng)務(wù)之急，《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》(GB 16780—2021) 的推出，倒逼水泥企業(yè)全力進(jìn)行節(jié)能降耗改造，以提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。在水泥粉磨過(guò)程中應(yīng)用耐磨陶瓷研磨體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬研磨體，是節(jié)能降耗的途徑之一，可顯著降低粉磨能耗，有效促進(jìn)企業(yè)的節(jié)能低碳發(fā)展，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

1 輥壓機(jī)雙閉路水泥聯(lián)合粉磨系統(tǒng)

1.1 設(shè)備配置

陜西聲威建材集團(tuán)有限公司 2 500 t/d 水泥生產(chǎn)線(xiàn)采用雙閉路聯(lián)合粉磨系統(tǒng)，工藝流程如圖 1 所示，設(shè)備配置如表 1 所列。配置 HFCG180-160 輥壓機(jī)+HFV5000 V 型選粉機(jī)+HBS5000 動(dòng)態(tài)選粉機(jī)+φ4.2 m×13.0 m 兩倉(cāng)管磨機(jī)+O-SepaN-3000S 高效渦流選粉機(jī)。其中管磨機(jī) (1 號(hào)水泥磨) 兩倉(cāng)原采用金屬研磨體，主電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流 175 A 左右，P·O42.5 級(jí)水泥產(chǎn)量 225 t/h，系統(tǒng)粉磨電耗 34.5 kW·h/t，出磨水泥溫度 120～130 ℃。該管磨機(jī)是公司 4 臺(tái)管磨機(jī)中規(guī)格與產(chǎn)能最大的，占水泥年產(chǎn)總量的 75%，對(duì)水泥能耗與產(chǎn)品質(zhì)量等影響較大。

圖1 輥壓機(jī)雙閉路聯(lián)合粉磨工藝流程Fig.1 Roller press double closed-circuit combined grinding process flow

表1 輥壓機(jī)雙閉路聯(lián)合粉磨系統(tǒng)設(shè)備配置Tab.1 Equipment configuration of roller press double closed-circuit combined grinding system

1.2 存在的主要問(wèn)題

1.2.1 粉磨工序電耗偏高

目前，行業(yè)領(lǐng)先的水泥粉磨電耗已小于 30 kW·h/t，聲威水泥公司 1 號(hào)水泥磨電耗 34.5 kW·h/t，高于行業(yè)領(lǐng)先值 4 kW·h/t 以上，也高于集團(tuán)內(nèi)其他同型號(hào)管磨機(jī)。

1.2.2 設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率偏低

為保持水泥粉磨系統(tǒng)產(chǎn)量，管磨機(jī)一倉(cāng) (粗磨倉(cāng)) 與二倉(cāng) (細(xì)磨倉(cāng)) 的鋼球裝載量達(dá)到 226 t，管磨機(jī)運(yùn)行負(fù)荷較大。除了入磨物料帶入一部分熱量之外，磨內(nèi)研磨體與物料、研磨體與研磨體、研磨體與襯板、隔倉(cāng)板和磨尾篦板之間摩擦，產(chǎn)生大量的熱。由于金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)高、傳熱快，導(dǎo)致管磨機(jī)后滑履溫度偏高，超設(shè)定報(bào)警值后管磨機(jī)頻繁跳停，尤其在 6—9 月高溫季節(jié)，12：00—20：00 生產(chǎn)處于斷斷續(xù)續(xù)狀態(tài)，其余時(shí)段也有因滑履溫度超報(bào)警值停機(jī)的情況，每次開(kāi)停機(jī)都增加了粉磨電耗。

1.2.3 出磨水泥溫度高

正常出磨水泥溫度要求控制在 110 ℃ 以?xún)?nèi)，2017 年出磨水泥溫度一般在 120～135 ℃。調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)時(shí)間用二水石膏，在 65 ℃ 時(shí)就開(kāi)始釋出結(jié)構(gòu)水，但脫水速度比較慢；在 107 ℃ 左右，脫水速度迅速加快，隨著溫度繼續(xù)升高，脫水將更快；如果水泥溫度達(dá)到 100～ 110 ℃，就會(huì)出現(xiàn)二水石膏向半水石膏的晶型轉(zhuǎn)變，環(huán)境溫度越高，轉(zhuǎn)換的比例越多[1]；如果出磨水泥溫度達(dá)到 120 ℃ 以上，入庫(kù)后有部分石膏繼續(xù)脫水形成半水石膏，而二水石膏與半水石膏晶型不一樣，晶體高溫失水或返潮轉(zhuǎn)換過(guò)程中形成石膏的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，黏結(jié)成為具有一定硬度的水泥團(tuán)，導(dǎo)致庫(kù)內(nèi)結(jié)團(tuán)、結(jié)塊不能順利出庫(kù)，往往需要人工進(jìn)庫(kù)清理，企業(yè)投入資金較多，安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)極高。此外，庫(kù)內(nèi)水泥預(yù)水化速率隨著環(huán)境溫度的變化而變化，環(huán)境溫度越高，水化反應(yīng)越快[2]，二水石膏脫水成半水石膏和硬石膏后，脫除的結(jié)晶水會(huì)迅速與水泥熟料部分微顆粒結(jié)合，使庫(kù)內(nèi)水泥強(qiáng)度下降明顯。為了彌補(bǔ)強(qiáng)度，只能降低混合材摻加量，影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益；而且水泥成品溫度越高，水泥適應(yīng)性變差，混凝土凝結(jié)時(shí)間越短[3]，嚴(yán)重影響混凝土質(zhì)量，易引起下游商混企業(yè)用戶(hù)投訴。

2 技術(shù)改造措施

針對(duì)以上管磨機(jī)使用金屬研磨體存在的技術(shù)與水泥成品質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)實(shí)地調(diào)研考察，2017 年初，利用φ4.2 m×13.0 m 管磨機(jī)檢修機(jī)會(huì)，對(duì)管磨機(jī)二倉(cāng) (細(xì)磨倉(cāng)) 研磨體進(jìn)行更換，使用 SDTH 公司研制生產(chǎn)的高硬度球柱結(jié)合體型耐磨陶瓷研磨體 (密度 3.8 g/cm3)，取代原來(lái)使用的金屬研磨體 (密度 7.6 g/cm3)。耐磨陶瓷研磨體如圖 2 所示。

圖2 細(xì)磨倉(cāng)中的耐磨陶瓷研磨體Fig.2 Wear-resistant ceramic grinding medium in fine grinding bin

聲威水泥公司通過(guò)和 SDTH 公司技術(shù)人員論證，在對(duì)粉磨工藝、設(shè)備配置和水泥控制指標(biāo)進(jìn)行綜合分析后，對(duì)聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中的管磨機(jī)進(jìn)行了如下改進(jìn)。

(1) 重新調(diào)整磨機(jī)研磨體級(jí)配，一倉(cāng) (粗磨倉(cāng)) 增加了 8 t 鋼球，進(jìn)一步提高一倉(cāng)對(duì)入磨物料的粗粉磨能力，為二倉(cāng) (細(xì)磨倉(cāng)) 應(yīng)用耐磨陶瓷研磨體細(xì)磨創(chuàng)造條件。耐磨陶瓷研磨體填充率由鋼球的 30% 提高到 39.5% (由 100 t 耐磨陶瓷研磨體代替原來(lái)的 160 t 高鉻鋼球)，增加球料比，彌補(bǔ)耐磨陶瓷研磨體因材質(zhì)密度小、質(zhì)量輕帶來(lái)的粉磨效率降低的不足。

(2) 對(duì)二倉(cāng) (細(xì)磨倉(cāng)) 內(nèi)部的活化環(huán)進(jìn)行優(yōu)化改造，原設(shè)計(jì)安裝的活化環(huán)高度相對(duì)較低，活化功能較弱。由于耐磨陶瓷研磨體需要較高的填充率，研磨體“滯留帶”隨之增加，易形成較大的研磨死區(qū)，降低研磨效率。耐磨陶瓷為無(wú)機(jī)非金屬材料，靜電吸附效應(yīng)減弱，磨內(nèi)物料流速會(huì)加快，易造成部分物料研磨不充分。為了徹底解決此問(wèn)題，將活化環(huán)高度由原 650 mm 增加到 1 000 mm，改善對(duì)物料的攪拌效應(yīng)，增強(qiáng)了活化效果，延緩了磨內(nèi)物料流速，保證物料在磨內(nèi)的研磨時(shí)間，有效提高出磨水泥成品率[4]。

(3) 安裝隔倉(cāng)板中心通風(fēng)圓隔網(wǎng)。研磨體填充率提高后，研磨體的高度高于隔倉(cāng)板中心圓板，在二倉(cāng) (細(xì)磨倉(cāng)) 中心圓板后面安裝 10 mm×10 mm 方孔篩網(wǎng)，有效避免研磨體導(dǎo)入隔倉(cāng)板引起篩網(wǎng)破損。篩網(wǎng)距離中心圓板 100 mm，確保磨機(jī)通風(fēng)不受影響。

(4) 磨頭進(jìn)料端由之前的下料溜管直接進(jìn)料改為增加雙層翻板閥，避免入磨物料因慣性直接前沖，造成磨前 300～600 mm 范圍內(nèi)空料或者少料，可減少研磨體自損耗現(xiàn)象，提高一倉(cāng)的粗粉磨效率，縮小進(jìn)入二倉(cāng)物料粒徑。

經(jīng)過(guò)以上技術(shù)改造，該雙閉路聯(lián)合粉磨系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，初期管磨機(jī)產(chǎn)量略有下降，主要原因是磨內(nèi)耐磨件與耐磨陶瓷研磨體表面光潔度較差。P·O42.5R 水泥成品指標(biāo)為 (350±15) m2/kg，R45 μm 篩余穩(wěn)定在 7%～9%，管磨機(jī)主電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流由之前的 175 A 降低到 128 A，平均電耗降低 4.0 kW·h/t。耐磨陶瓷研磨體屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，摩擦產(chǎn)生熱量小，導(dǎo)熱系數(shù)比金屬材料低，出磨水泥溫度降低 25 ℃ 以上。

3 進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)

為了達(dá)到最佳節(jié)電效果，后續(xù)又根據(jù)粉磨系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況，針對(duì)部分技術(shù)細(xì)節(jié)實(shí)施持續(xù)改進(jìn)，具體措施如下。

(1) 針對(duì)磨頭慣性沖料問(wèn)題，在管磨機(jī)進(jìn)料口增加螺旋葉片，實(shí)現(xiàn)一倉(cāng)均勻喂料，有效避免因沖料造成一倉(cāng)出現(xiàn)研磨盲區(qū)。

(2) 根據(jù)入磨物料細(xì)度，調(diào)整一倉(cāng)研磨體級(jí)配，平均球徑由 31.0 mm 降至 28.0 mm，提高一倉(cāng)粗粉磨能力。

(3) 對(duì)隔倉(cāng)板中心卸料口采取間隔封焊的辦法，以減少過(guò)料面積，延緩排料速度，提高一倉(cāng)研磨體粗粉碎能力，有效降低一倉(cāng)進(jìn)入二倉(cāng)物料粒徑。入磨物料R45 μm 篩余在 56% 左右，在一倉(cāng)粉磨后出隔倉(cāng)板位置取樣，R45 μm 篩余降至 45%。說(shuō)明采取技術(shù)改進(jìn)措施后，一倉(cāng)粗粉磨能力較好。

(4) 為防止磨內(nèi)中部物料流速過(guò)快，在活化環(huán)上部 500 mm 高度處增加孔徑 5.0 mm 篩網(wǎng) (見(jiàn)圖 3)，促使物料在二倉(cāng)勻速流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物料分段磨細(xì)。出磨物料R45 μm 篩余由改進(jìn)前的 41% 降至 30%，顯著提高了出磨物料的成品含量，為磨尾高效渦流選粉機(jī)的有效分級(jí)創(chuàng)造了良好的條件。

圖3 優(yōu)化改造后的細(xì)磨倉(cāng)活化環(huán)Fig.3 Optimized activation loop of fine grinding bin

實(shí)施上述改進(jìn)措施后，出磨物料比表面積由改進(jìn)前的 220 m2/kg 增至 275 m2/kg，大幅度提高了出磨物料的成品比例，為進(jìn)一步提產(chǎn)降耗奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

截至 2019 年 3 月份，1 號(hào)水泥磨應(yīng)用耐磨陶瓷研磨體，已穩(wěn)定生產(chǎn)水泥 158 萬(wàn) t，實(shí)測(cè)耐磨陶瓷研磨體破損率 ≤5‰，球耗僅 6.5 g/t，實(shí)現(xiàn)了降耗、增效、穩(wěn)質(zhì)的目的。

2021 年 8 月，又對(duì)雙閉路水泥聯(lián)合粉磨系統(tǒng)中熟料的進(jìn)料方式進(jìn)行了調(diào)整，將原來(lái)的熟料先進(jìn)入稱(chēng)重倉(cāng)，改為先進(jìn)入循環(huán)提升機(jī)，經(jīng)過(guò) V 選預(yù)先分選后再返回稱(chēng)重倉(cāng)，有效減少了入磨物料的細(xì)粉含量，大幅度提高了輥壓機(jī)粉磨效率。應(yīng)用耐磨陶瓷研磨體前后的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表 2 所列。

表2 應(yīng)用耐磨陶瓷研磨體前后技術(shù)指標(biāo)對(duì)比Tab.2 Comparison of technical indexes before and after application of wear-resistant ceramic grinding medium

4 應(yīng)用效果

(1) 更換耐磨陶瓷研磨體后，對(duì)輥壓機(jī)、系統(tǒng)用風(fēng)等進(jìn)行了適應(yīng)性調(diào)整，水泥顆粒分布得到優(yōu)化，水泥適應(yīng)性較使用鋼球得到進(jìn)一步提高。

(2) 磨內(nèi)因耐磨陶瓷研磨體相互作用力產(chǎn)生的熱量降低，系統(tǒng)拉風(fēng)量降低，水泥溫度大幅下降，解決了出磨和出廠水泥強(qiáng)度下降的質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí)，因出磨水泥溫度的下降，消除了石膏脫水板結(jié)現(xiàn)象，水泥入庫(kù)、出庫(kù)順暢，避免了水泥板結(jié)清庫(kù)的高危作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 耐磨陶瓷研磨體質(zhì)量較鋼球輕，裝載量少，可減少研磨體對(duì)襯板的沖擊力，磨機(jī)電流大幅下降，軸瓦溫度也隨之降低，可對(duì)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)起到保護(hù)作用，維修率和故障率大大降低。同時(shí)，管磨機(jī)溫度下降，可減少管磨機(jī)筒體鋼板的脆性化，延長(zhǎng)了主機(jī)設(shè)備壽命。

(4) 應(yīng)用耐磨陶瓷研磨體后，管磨機(jī)二倉(cāng) (細(xì)磨倉(cāng)) 研磨體消耗由之前全部使用金屬研磨體時(shí)的 25 g/t 降低到 6.5 g/t，不但進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本，而且減少了研磨體級(jí)配的調(diào)整次數(shù)。

(5) 應(yīng)用耐磨陶瓷研磨體降低了水泥產(chǎn)品中正六價(jià) Cr 離子的含量，降低了重金屬污染，對(duì)環(huán)境保護(hù)意義重大。

(6) 應(yīng)用耐磨陶瓷研磨體后經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，磨房?jī)?nèi)環(huán)境噪聲由過(guò)去的 90 dB 降至 70 dB 左右，顯著降低了對(duì)員工的職業(yè)危害。

5 結(jié)語(yǔ)

本次耐磨陶瓷研磨體的應(yīng)用是陜西聲威建材集團(tuán)有限公司第一臺(tái)管磨機(jī)工業(yè)試驗(yàn)，產(chǎn)能得到進(jìn)一步提高，增產(chǎn)幅度達(dá) 20%；徹底解決了磨機(jī)滑履溫度高以及出磨水泥溫度高導(dǎo)致的水泥庫(kù)板結(jié)現(xiàn)象；同時(shí)，水泥粉磨電耗與研磨體磨耗明顯下降，相比原使用金屬研磨體總計(jì)節(jié)電 6.4 kW·h/t，節(jié)電幅度達(dá) 18.55%。以該雙閉路聯(lián)合粉磨系統(tǒng)實(shí)際年產(chǎn)水泥 160 萬(wàn) t 計(jì)算，年可節(jié)電 1 024 萬(wàn) kW·h，按照平均電價(jià) 0.60 元/(kW·h) 計(jì)算，年節(jié)電效益達(dá) 614 萬(wàn)元，2 個(gè)月即可收回耐磨陶瓷研磨體全部投資。